短波红外光特异性响应的有机光电突触

人类通过体内数十亿的神经元及突触感知周围的环境、获取各种各样的信息，并且实现记忆和存储的功能，其中80%的外界信息是依靠人类视觉系统获取，其关键功能之一是可以分辨各种颜色（光波长）。光电突触器件同时具有光感知和类突触行为的双重功能，常常被用在人工视觉系统中来模仿人类视觉系统的功能。然而，当前报道的多数光电突触器件的光响应范围与感光材料的吸收范围一致，无法仅对某一特定波长范围表现出突触行为。因此，模拟人类视觉系统分辨不同波长光信号的功能依旧是一个挑战。

此外，短波红外光（SWIR：1000-3000 nm）被广泛应用在光纤通讯、工业制造等领域，但人类视觉系统却无法获取此波段范围的光信息。开发对SWIR光特异性响应的光电突触器件可以拓展人工视觉系统的感知范围，也可以促进光纤通信和类脑计算相结合，同时抵抗可见光对信息接收的干扰。

近日，中国科学院大学黄辉教授课题组在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上发表了题研究论文，通过设计合成一种窄带共轭聚合物P1（带隙0.69 eV），并借助界面能级势垒和非平衡载流子传输捕获电荷，首次实现了对短波红外光特异性响应的有机光电突触器件。

文章将聚合物材料P1作为单一组分制备光电二极管结构的器件，获得了对可见光到短波红外光全光谱范围响应的有机光电突触器件（SM-PS）。之后构建基于P1和PC₇₁BM的Ｉ型异质结，获得了仅在SWIR光照射下表现出突触行为的特异性响应有机光电突触器件（Sel-PS）。

图1. 材料基本结构、光物理信息和器件结构、输出信号

文章以1550 nm激光作为刺激信号测试器件的突触性能。双脉冲易化指数（PPF）是评价突触短时可塑性的指标，与人类对短时信息的识别过程相关，Sel-PS器件的PPF值可达1.3。突触长时可塑性是人类实现学习和决策的基础，此时突触器件将达到一个新的电导态，Sel-PS器件的态保留时间超过1500 s，这与人脑的记忆过程一致。Sel-PS器件单次脉冲能耗低至2.85 fJ，与人体中一次神经活动消耗的能量（1-10 fJ）相当。另外，突触权重可通过改变光照强度、持续时间、频率、脉冲数目进行调控，和人类视觉系统感知光信号刺激的变化相同。

图2. 器件的基本突触性能

最后，Sel-PS器件阵列成功应用在了抗可见光干扰的字母成像，在持续的可见光信号的干扰下，阵列器件依旧输出和没有干扰信号相似的成像结果。该工作为实现特异性响应的有机光电突触提供了一种新策略。

图3. Sel-PS器件应用于光信号逻辑编辑和抗可见光干扰的字母成像

文章的第一作者是中国科学院大学博士研究生王松和陈皓，通讯作者为黄辉教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Retina-Inspired Organic Photonic Synapses for Selective Detection of SWIR Light

Song Wang, Hao Chen, Tianhua Liu, Yanan Wei, Guo Yao, Qijie Lin, Xiao Han, Chunfeng Zhang, Hui Huang

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202213733

作者介绍

黄辉，中国科学院大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。本科、硕士、博士分别毕业于北京师范大学、中国科学院化学研究所、达特茅斯学院。随后在美国西北大学从事博士后研究，合作导师为Tobin J. Marks教授。2010年加入美国康菲石油公司（现菲利普斯66石油公司）全球研发中心从事有机太阳能电池的研发工作，2013年11月回到中国科学院大学建立独立课题组从事科研工作。黄辉教授先后获得多项奖励与荣誉，包括中科院朱李月华优秀教师奖、中科院优秀导师奖等。

课题组主页：

http://huanggroup-ch.ucas.ac.cn/